【正文】 STL 格式文件作為接口文件，然后用華鑄軟件進(jìn)行模擬計(jì)算處理。 將模擬優(yōu)化后的工藝用于 華正機(jī)械 公司 的 鑄鐵平板 實(shí)際生產(chǎn)中，結(jié)果表明：通過合理設(shè)置冒口、冷鐵的位置和大小，合理選擇澆注系統(tǒng)及分型面，可以控制冶煉和熱處理工藝，保證鑄件符合順序凝固的原則，生產(chǎn)出組織致密、性能優(yōu)良、各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到用戶要求的優(yōu)質(zhì)掛舵臂鑄件。 掛舵臂成型特點(diǎn) ............................. 4 167。 掛舵臂生產(chǎn)中縮孔、縮松缺陷的防止 ................. 9 167。 華鑄 CAE 的概述 .................................. 14 167。 模擬結(jié)果顯示與分析 ........................ 19 167。 2020年中國造船產(chǎn)量達(dá)到 1400萬載重噸，占世界造船總產(chǎn)量的 20%份額，造船總量位居世界第三 [1]。 按照船舶系統(tǒng)“十一五”規(guī)劃，加強(qiáng)船舶自主設(shè)計(jì)能力、船用裝備配套能力和大型造船設(shè)施建設(shè)，優(yōu)化散貨船、油輪、集裝箱船三大主力船型，如圖 11所示，重點(diǎn)發(fā)展高技術(shù)、高附加值的新型船舶和海洋工程裝備。 散貨船 20 萬噸油輪 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 2 集裝箱船 圖 11 三大主力船型 眾所周知， 船舶的航行除了前進(jìn)的動力，還需要方向的確定和轉(zhuǎn)變，而舵就是船舶轉(zhuǎn)變方向的設(shè)備，所以舵系是船舶航行最主要的設(shè)備之一，直接關(guān)系到船舶航行的安全性能。另外，掛舵臂幾乎所有面均設(shè)計(jì)為曲面，以使船舶在航行中所受阻力小。 167。 本設(shè)計(jì)掛舵臂鑄件材質(zhì)為 KSC49,化學(xué)成分見表 11，其中 殘余元 素 Cr、 Ni、Mo、 Cu 總含量≤ 1%， 外型輪廓尺寸為 762918605639mm,重量為 82t， 結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜 ， 鑄件尺寸公差要求較嚴(yán)格 ， 鑄造難度大 ， 澆冒口處、圓角處、機(jī)加工表面和特殊表面均要求超聲探傷和著色探傷。 2. 結(jié)構(gòu)復(fù)雜、形狀特殊，幾乎所有面均為曲面，形狀均為流線型，每個斷面尺寸均不相同，其特殊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為工藝編制、造型、清理等工序均帶來不便。 各船級社船都要求在船用鑄鋼件重要部位進(jìn)行超聲波探傷和磁粉探傷，所以鑄造工藝設(shè)計(jì)中必 須采用針對性的技術(shù)措施有效地預(yù)防各種鑄造缺陷。成為側(cè)立狀態(tài)，并以此狀態(tài)進(jìn)行澆注 。 3. 澆注系統(tǒng)的選擇 側(cè)立狀態(tài)的掛舵臂高度較大（ 5639mm）、曲面型側(cè)面壁厚較?。ㄗ钚√?100mm）而且曲面型側(cè)面圍成的 “筒形 ”中還有兩個大肋板。而結(jié)構(gòu)正確 的 階梯式澆注系統(tǒng)，金屬液首先由底 層內(nèi)澆道充型，液面自下而上地、順序地流經(jīng)各層內(nèi)澆道，充型平穩(wěn)，型腔內(nèi)氣體排出順利 [4]。如圖 14所示，其具體尺寸如下：采用 4道 φ 140mm直澆口，分別布置在大、小端頭的兩端；橫澆口采用 φ 120~φ 140mm過渡，長向上將直澆口接通，橫向上僅需將底層直澆口接通，內(nèi)澆口三層，每側(cè)均布 6道 φ100mm，上層在分型面下 300mm處，下 層平行于底部輪廓高出約 100mm。 φ 900mm 的明冒口用厚度為 110mm 的保溫冒口套， φ 400mm和 φ 500mm 的 暗 冒口保溫套厚度分別為 65mm 和 70mm。 液態(tài)金屬澆入鑄型后，鑄型的吸熱，金屬溫度下降，空穴數(shù)量減小，原子間距縮短，液態(tài)金屬的體積減小產(chǎn)生液態(tài)收縮 [5]。所以掛舵臂的生產(chǎn)過程中很可能會產(chǎn)生縮孔、縮松、裂紋 、 應(yīng)力和變形缺陷。集中在鑄件上部或最后凝固部位、容積較大的孔洞稱為縮孔，縮孔多呈倒圓錐形，內(nèi)表面粗糙 [6]。如圖 21為圓柱體鑄件縮孔形成過程。在糊狀凝固方式的合金中或斷面較大的、以糊狀凝固的鑄件壁中， 枝晶長到一定程度使熔融金屬被分離成彼此孤立的狀態(tài)，它們繼續(xù)凝固時也將產(chǎn)生收縮，這時鑄件中心雖有液體存在，但由于樹枝晶的阻礙使之無法補(bǔ)縮 。 掛舵臂生產(chǎn)中縮孔、縮松等缺陷的產(chǎn)生 掛舵臂用于大型遠(yuǎn)洋船舶使得 掛舵臂 鑄鋼件 內(nèi)若存在微量的縮松、縮孔、裂紋、夾雜等缺陷都可能對船舶的運(yùn)行帶來巨大的危險(xiǎn)，所以掛舵臂鑄件不但 重量大，內(nèi)部質(zhì)量要求還很高。碳鋼結(jié)晶過程有一定結(jié)晶間隔，所以結(jié)晶過程不可避免存在固相和液相同時并 存區(qū)域，這一區(qū)域稱為“凝固區(qū)域”。 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 9 圖 23 凝固區(qū)域結(jié)構(gòu) 掛舵臂材質(zhì)為 KSC49鋼，其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 %~%，屬低碳鋼。 167。所以準(zhǔn)確的預(yù)測縮孔的位置，采取適當(dāng)?shù)墓に嚧胧┭a(bǔ)足鑄件外形收縮，補(bǔ)充鋼液體積減小，彌合縮孔缺陷，得到合乎質(zhì)量要求的鑄件。形狀復(fù)雜的鑄鋼件必須根據(jù)鑄件各部分壁厚情況進(jìn)行分析。在鑄件斷面上自冷卻表面開始，相應(yīng)于結(jié)晶溫度的狀況畫出與鑄件傳熱方向相垂直的 等溫線。所謂“內(nèi)切圓”，即在鑄件上“熱節(jié)”處所能畫出的最大內(nèi)切球體，通常稱為“熱節(jié)圓”。第二種方法是公式法，用于計(jì)算形狀規(guī)則的熱節(jié)處，例如鑄件中的“ T”字形筋，“ +”字形筋的熱節(jié)圓 。 接下來，結(jié)合 “內(nèi)切圓法”的原理和掛舵臂鑄件的 結(jié)構(gòu) 來確定掛舵臂的熱節(jié) ，進(jìn)而預(yù)測縮孔缺陷。在 生產(chǎn)實(shí)際中， 掛舵臂的熱節(jié) 確實(shí) 出現(xiàn)在厚大的壁、厚大的壁和舵軸孔的聯(lián)接處和筋板的根部。工藝上容易對集中縮孔缺陷進(jìn)行補(bǔ)縮。 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 12 2. 用冒口補(bǔ)縮鑄鋼件 所謂“冒 口”是鑄件上附加的突出部分，它裝置在鑄件上，以使鋼液能有此流入鑄件補(bǔ)充內(nèi)部收縮。但要注意的是，冒口中的鋼液也要結(jié)晶，因此使其中一部分金屬不能利用，所以冒口的實(shí)際尺寸遠(yuǎn)大于鑄件中被補(bǔ)縮的縮孔尺寸，此外冒口中不能利用的凝固金屬還要從鑄鋼件上割除。中國是鑄造古國，有著幾千年的輝煌歷史。而利用 CAD 進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)不僅甩掉紅藍(lán)鉛筆，而且能夠完成工藝基本要素的設(shè)計(jì)與繪制（造型）任務(wù)。眾所周知，鑄造是一個過程復(fù)雜、影響因素多、廢品率高的成形方式。 計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)（ CAM）在鑄造上的應(yīng)用主要是在工裝領(lǐng)域，包括鑄造模具、模板等。 華鑄 CAE 的概述 華鑄 CAE/InteCAST鑄造工藝分析系統(tǒng)以鑄件充型過程、凝固過程數(shù)值模擬技術(shù)為核心對鑄件進(jìn)行鑄造工藝分析，一般包括前置處理模塊、計(jì)算分析模塊以及后置處理模塊?，F(xiàn)階段鑄造 CAE軟件的前處理模塊一般先借助于通用的三維造型軟件如 Pro/E、 UG、 Solidworks、 CAD等進(jìn)行三維造型，然后采用通用的 STL文件格式接口進(jìn)行銜接，然后進(jìn)行網(wǎng)格剖分。此外 計(jì)算分析模塊是將液態(tài)金屬充 型凝固過程看作是不可壓縮粘性流體的流動來進(jìn)行多物理場的分析 ， 它可以由動量方程、連續(xù)性方程、能量方程以及體積函數(shù)來描述。 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 16 167。圖 31 為溫度場計(jì)算分析流程圖。 華鑄 CAE 前處理模塊 提供“優(yōu)先級別”功能，這樣可以大大減少三維造型的河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 17 工作量。 圖 32 網(wǎng)格剖分 167。方程式如下： ?????? ??????????? ??????????? ???????? ZTZYTYXTXTC ????? 式中， ? 表示金屬液密度； PC 為比熱容；τ為時間。 表 32 溫度場初始化物性參數(shù) 物性參數(shù) 鑄件 鑄型 冒口套 空氣 密度 () 熱容 (.℃ 1) 導(dǎo)熱系數(shù) （ .℃ 1) 初始溫度 (℃ ) 1556 25 25 25 2. 邊界條件的確定 關(guān)于邊界條件，按凝固過程不同的冷卻條件主要遇到鑄件 鑄型邊界和鑄型 大氣界面。溫度場界面參數(shù)如 表 33 所示： 表 33 溫度場界面參數(shù) （ .℃ 1 ） 鑄件 鑄型 冒口套 冷鐵 鑄件 鑄型 冒口套 冷鐵 3. 臨界固相線溫度的確定 在鑄件的凝固過程中，各個單元的凝固情況可以通過一個臨界固相率來判斷其凝固的情況。本次模擬臨界固相線溫河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 19 度 %70)( ???? SLLS TTTT ，得臨界固相線溫度值為 1475℃ 。當(dāng)鑄件單元的 GR值小于某一臨界值時 ， 該單元可能出現(xiàn)縮松 ， 所有可能出現(xiàn)縮松的單元的集合就表示縮松的分布 [16]。 圖 33分別顯示的是凝固階段不同時刻的液相分布圖（綠色為固相，紅色為液相）。圖 33 d)可以看出鑄件脊梁處和底部已經(jīng)出現(xiàn)孤立的液相區(qū)，這可能是由于補(bǔ)縮通道不暢通造成的。熱節(jié)部位凝固時，樹枝狀 晶體形成骨架時分隔其了包圍的液體部分，進(jìn)而形成微觀縮松，模擬結(jié)果證實(shí)了預(yù)測。由于鋼冷鐵的蓄熱能力大，可吸收較多的 能量，激冷能力強(qiáng)，故冷鐵的材質(zhì)和鑄件一致。冒口內(nèi)還有大量金屬液存在，能夠有效的補(bǔ)縮鑄件 大舵軸孔、小舵軸孔及脊梁處等熱節(jié)部位 ，可以實(shí)現(xiàn)從鑄件到冒口的順序凝固。 一、 造型 1. 型砂選擇 采用地坑組芯造型，砂芯面砂 采用鉻礦砂（黑色），如 圖 41所示。 掛舵臂 6~10m長的筒腔 ， 采用 1個體積 20多立方米的數(shù)十噸大芯來形成 ， 最大的木模實(shí)樣（如圖 42所示），芯盒均達(dá)到 10m長 ， 4m多高 ， 2m多寬。起包溫度 1540℃ ~1560℃ ， 澆注溫度為 1530℃ ~1550℃ 。這樣既可以避免因澆注溫度高而產(chǎn)生裂紋 ， 又可以提高溫度梯度 ， 增強(qiáng)冒口的補(bǔ)縮能力。 圖 43 為 掛舵臂飛 邊、毛 刺 清理 現(xiàn)場 。 圖 48 可以看出掛舵臂筒體與側(cè)向伸出部分交接處 （脊梁處）也 沒有明顯缺陷，表面較平整 。掛舵臂實(shí)物如圖 49。 基于以上的研究，得出以下結(jié)論： 1. 對掛舵臂凝固過程的模擬表明：筋板的根部凝固時，樹枝狀晶體形成骨架時分隔其了包圍的液體部分，進(jìn)而形成微觀縮松。 3. 借鑒本模擬優(yōu)化后的工藝， 中信重機(jī)公司鑄鍛廠 進(jìn)行了 掛舵臂 實(shí)際的生產(chǎn)，結(jié)果表明：通過合理設(shè)置冒口、冷鐵的位置和大小，合理選擇澆注系統(tǒng)及分型面，控制冶煉和熱處理工 藝，保證鑄件符合順序凝固的原則，生產(chǎn)出組織致密、性能優(yōu)良、各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到用戶要求的優(yōu)質(zhì)掛舵臂鑄件。為